功率半导体器件材料 功率半导体是由硅（Si）制成的，或者，最近，由诸如硅之类的“宽带隙”材料制成碳化物（SiC）或氮化镓（GaN）。术语带隙是指传导和半导体材料的价带，即产生电子和空穴所需的能量移动更宽的带隙器件赋予功率转换设计有用的属性，但增加了成本、设计以及EMI/RFI问题。它们还可能降低系统可靠性。 传统上，功率半导体器件基于硅。然而，硅具有有限的阻断电压当部署在（多数载流子）MOSFET中时，RDS（ON）随着阻断电压的增加而增加，使MOSFET大部分不适合≥600-V应用。这通常将MOSFET降级为：≤300-V应用。在里面（少数载流子）IGBT的阻断电压较高（1200 V或更高），且导通电压近似恒定，但在以下情况下存在显著的开关损耗和高的尾部和反向恢复电流这降低了转换器的效率。这将IGBT主要限制在600-V级设备上应用。 与Si相比，宽带隙材料提供更高的（击穿）电压额定值、更快的开关速度，在高温下较低的漏电流和较低的热阻（对于SiC）。更快的原始设备 开关速度转化为低纳秒范围内的上升时间，尽管功率转换设备的部署速度要慢得多，以限制谐波问题并降低“击穿”风险（简称这导致设备故障）。 高阻断电压和更高的温度性能提供了更好的可靠性和更紧凑 设计和较小的散热器。更高的开关频率可减少开关过程中的损耗，并减小尺寸dc总线/链路滤波器组件（例如电容器和电感器）的输出。因此，使用广泛的功率转换系统带隙功率半导体具有重量轻、功率密度高（由于尺寸小）和效率。 设计挑战包括降低更高的制造成本，缺乏现场可靠性的长期数据，以及用于实现的知识库小，电路板布局中的寄生和EMI效应更多。 SiC和GaN是在MOSFET和IGBT中看到商业用途的两种宽带隙材料。相比与Si相比，SiC具有10倍的阻断电压、更低的导通电阻、更高的温度性能和更高的 固有冷却。我们现在看到更多的碳化硅在IGBT中的使用，这使得15kV设备成为可能应用，开启固态配电变压器和其他公用电网连接的新应用 15 kV等级的设备。GaN具有类似于SiC的性能，但击穿电压可能会限制适用于＜600-V的应用。 随着宽带隙材料的出现，上升时间越来越快，开关损耗也在下降功率转换设计。然而，更快的上升时间会增加灾难性故障的风险，并产生更多 EMI/RFI发射。一般来说，宽带隙材料更快的上升时间会影响开关和单个设备的传导损耗测量大于整个驱动系统输出。尽管如此 有助于全面了解功率半导体器件的性能，通常谨慎的做法是不要推动由于成本、可靠性和排放的原因，这些设备在功率转换系统中的限制。 功率半导体器件类型 可以使用各种功率半导体器件类型构建功率转换电路，具体取决于输入/输出电压、浪涌额定功率、连续额定功率和应用。 目前使用的功率半导体器件的主要类型有： o功率金属氧化物半导体场效应晶体管（功率MOSFET） o绝缘栅双极晶体管（IGBT） o高压（HV）IGBT o绝缘栅极换向晶闸管（IGCT）或栅极导通晶闸管 o可控硅整流器（SCR或晶闸管）。 图4说明了开关频率、击穿电压和载流能力的权衡 在不同的硅功率半导体器件之间。在功率转换的背景下，所有这些设备可替代地被描述为电源开关。
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